皮肤和汗水能真正告诉我们什么?

十月7,2019

保罗·尼古拉斯(Paul Nicolaus)

2019年10月7日| 人体最大的器官及其分泌物能教给我们有关人类健康的知识吗?尽管目前答案尚不清楚,但科学家们正在研究可穿戴式皮肤传感器,该传感器可以监视感兴趣的身体信号并从汗液中收集有用的信息。

希望这些努力将导致运动生理学的新应用以及预防性护理,诊断和治疗的新潜力。

斯坦福大学,南洋理工大学和三星高级技术学院的研究人员已经开发出了一组联网传感器,例如,它们可以无线监测生理信号。

这项技术在8月15日发表于 自然电子 (doi:10.1038 / s41928-019-0286-2),包括两个主要部分。第一个由柔软,可拉伸的传感器组成,可以以各种形状印刷并附着在皮肤上。另一个组件是一个柔性读出电路,该电路可以连接到衣服上或坐在口袋中,并将信号从传感器发送到智能手机。

几年来,由14人组成的团队开发了传感器。目的是提出一种穿着舒适的技术,并且为此目的,该小组避免在柔软的皮肤组件内使用硅芯片和电池。

主要设计新颖性,主要作者和斯坦福大学博士后研究员牛思Sim告诉 生物IT世界,是使用无线通信链接软部件和刚性部件,而不是使用传统的有线连接。为了实现这一目标,研究人员修订了射频识别(RFID),这是一种更常用于无钥匙进入锁着的门或建筑物的技术形式。

为了证明这一概念,研究人员将传感器放在测试对象的手腕和腹部,以监测脉搏和呼吸。另外的传感器连接到肘部和腿部,以进行身体运动检测。同时监测脉搏和呼吸频率可用于分析睡眠状况,并且还有潜在的运动应用。

下一代工作

据Niu称,下一步将包括将无线RFID平台与新开发的传感器集成在一起,并努力缩小传感器以提高舒适度。

他说:“我们仍然希望它尽可能薄,尽可能小,这是我们试图改进的另一部分。”除此之外,开发的读出电路是一个原型,其目的是通过将所有芯片集成到一个芯片中并使用较小的电池为其供电来减小其尺寸。

“我们的首要目标是临床应用,” Niu说。例如,患者可以在手术后佩戴,或监测和解决睡眠呼吸暂停等问题。也有将这种技术应用于消费类电子产品的愿望。他补充说:“我们希望开发出坚固耐用的传感器,您可以随时随地佩戴以监测生理信号。”

愿景是,与消费者目前佩戴的智能手机或手表相比,无线传感器的收集可以与智能服装一起使用,以追踪更多种类的健康指标。斯坦福大学化学工程学教授鲍振南在新闻发布会上说:“我们认为有一天可以创建一个全身皮肤传感器阵列来收集生理数据,而不会干扰一个人的正常行为。”

加州大学圣地亚哥分校的研究人员在发表于2007年的评论文章中指出,对于未来的发展,可以向传感器节点增加额外的计算能力。 Nature Electronics (doi:10.1038 / s41928-019-0291-5)。尽管很难实现,但分布式计算对于确保长期生存能力至关重要,尤其是在个性化医疗领域中使用时。

除此之外,光学,化学和生物传感器的结合可以扩大平台的影响力。尽管仍有工作要做,但徐胜和他的合著者将这种传感器网络称为迈向下一代可穿戴电子设备和医疗物联网的一步。

纽说,目前正在努力向技术平台添加更多传感器,以监测体温或汗液等方面。汗液中含有电解质和皮质醇,例如,它们可以提供有关脱水或压力等相关领域的见识。

这种复杂的妆容以及易于使用的方式,意味着汗水可能是从化学层面更好地了解人体的有用手段。但是,最大的问题是,可以从这种生物流体中收集哪些有用的信息?

汗水带来的挫败感

加利福尼亚大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授,劳伦斯伯克利国家实验室的教职人员阿里·贾维(Ali Javey)告诉我们,汗液分析在过去已被广泛用于某些应用。 生物IT世界.

他说,过去几十年来检测囊性纤维化的黄金标准一直是汗液分析,“因此,我们知道在某些情况下,汗液与血脂非常相关。”

Javey及其同事希望从更广阔的角度看待这种体液,以便更好地了解汗液葡萄糖,离子浓度或药物(或药物副产物)的浓度是否有帮助。

然而,为了更多地了解汗液的成分,需要一种可靠的传感器,该传感器可以放置在大量受试者的身体各个部位。提出这类工具意味着要克服一系列障碍。

皮肤传感器PQ

人体测量是理想的,因为它可以收集离散数据点以及进行连续测量。他说:“例如,您实际上可以查看动态变化。”但是,汗液分析(尤其是人体汗液分析)的一个问题是样本量小。

他说:“我们经常要处理相当低的分析物浓度,远远低于血液中的分析物浓度。”从分析化学的角度来看,“您知道当样品很少且浓度很低时就会遇到麻烦。”

蒸发是一个令人关注的问题,皮肤污染也可能成为问题。例如,许多肥皂中都含有糖,这可能会干扰测量汗液葡萄糖水平的努力。

另一个难题是正在寻找确保仅考虑最新汗水的方法。他说:“如果要进行动态研究,则要确保只测量最近产生的汗水。”

揭示了新的传感器设计

在8月16日发表于 科学进步 (doi:10.1126 / sciadv.aaw9906),加利福尼亚大学伯克利分校和芬兰VTT技术研究中心的Javey及其同事揭示了一种新的传感器设计,旨在解决这些类型的难题。

减少蒸发是关注的一个领域,这是使用微流体通道完成的。汗液在产生时基本上被迫通过通道,这将旧汗液排除在外,并允许研究人员根据时间进行更准确的成分分析。

据Javey称,他们设备的另一个值得注意的方面是它除了测量汗液成分外,还能测量出汗率。 “如果您正在锻炼并且出汗过多,或者出汗很多,突然间您仍然在锻炼很多,那么就停止出汗,这就是问题的征兆。”

他说,更重要的是,他们已经表明可以使用卷对卷打印方案批量生产这些设备。他说:“这是一个非常可扩展的过程,而且设备之间几乎没有差异。 “这对于让我们开始进行学科研究真的很重要。”

汗液传感器有两层。在一块塑料上建有一个组件,在某种程度上类似于创可贴。第二个组件上具有电子端口,该电子端口包含一个微控制器和一个蓝牙芯片,用于无线传输数据。

化学传感器可以测量电解质的浓度,例如钠和钾,以及代谢物(例如葡萄糖),螺旋形的显微试管从皮肤上排走汗液,并跟踪其通过微流体的速度,以测量出汗率。

电解质平衡在田径运动领域特别重要,为了更仔细地研究,研究人员将汗液传感器放置在志愿者身体的各个位置,以测量出汗时钠和钾的水平以及出汗率。固定自行车。

他们的初步结果显示出汗率和体重减轻之间有很强的相关性。他说:“那真的很重要,因为脱水的主要定义是体重减轻2%。”局部出汗监测可用于估计与出汗有关的体重减轻,并且“这对于许多运动应用将非常有用”。

他们还使用传感器检测健康和糖尿病患者的汗液和血糖水平。人们一直希望非侵入性汗液测试能够代替基于血液的测量方法来监测和诊断糖尿病,但是他们的结果表明,汗液和血糖水平之间没有简单的相关性。

他和同事在论文中总结说:“尽管这一发现限制了基于汗液葡萄糖的普遍性糖尿病诊断阈值的建立,但并没有排除汗液和血糖之间存在更复杂的,个体特异性相关性的可能性。 ”

解码汗水

为了进一步了解汗液感测的可能用途和局限性,在大规模研究中将针对其他汗液分析物的动力学。除了努力使设备更坚固耐用以进行更广泛的研究以外,我们还在努力探索药物与出汗之间的关系。

贾维解释说:“我们已经有多篇论文研究汗液中不同药物的浓度。”例如,用于治疗帕金森氏症患者的药物L-Dopa的浓度“似乎与受试者的剂量摄入非常相关”。他说,就监测特定药物的代谢率而言,这可能是有希望的。

帕金森氏症是一个有趣的例子,因为药物的剂量至关重要。他说:“如果剂量太低或太高,患者通常都无法正常工作。” “但是问题当然是它们要服药。有吸收时间,所以浓度首先会在体内升高。然后是新陈代谢率,所以浓度最终下降。”

如果有一种方法可以监测新陈代谢的速度,那么它将为患者实现个性化药物带来长期希望。 Javey补充说:“因此,我们非常努力地朝着使用汗液进行药物分析的方向努力。”

无需任何运动,设备即可用于局部引汗,因此受试者甚至无需移动-当患者可能无法通过运动出汗时,这一方面对于临床应用而言可能很重要。

他解释说:“并不是所有的东西都会提供信息。”研究的一部分只是弄清楚哪些分析物显示出希望,哪些没有。

但是根据贾维所说,真正的关键是他所说的汗水解码。 “我们真的必须更好地了解汗液成分正在告诉我们。”

保罗·尼古拉斯(Paul Nicolaus)是一位自由撰稿人,专门研究科学,自然和健康。了解更多 www.nicolauswriting.com.